Датчики температуры, давления, уровня для пищевых производств

Пищевые датчики нужны для контроля технологических процессов производства, с их помощью можно в автоматическом режиме отслеживать такие параметры пищевых жидкостей как: температура, давление, уровень жидкости.

Датчики уровня

Сигнализация достижения определенных значений уровня в промышленных емкостях без постоянного непрерывного контроля, является стандартной, широко распространенной задачей. Существует широкий ряд общепромышленных датчиков разных типов как отечественного, так и импортного производства. В России подобные датчики называются реле уровня или датчиками-реле уровня. В зарубежной (англоязычной) литературе как правило употребляется термин «level limit switch» (предельный выключатель уровня).

Наиболее простыми и дешевыми приборами данного типа являются кондуктометрические датчики уровня. Они применимы для электропроводных жидкостей (более 0,2 См/м), таких как вода питьевая и технологическая, слабые растворы кислот, щелочей, стоки, большинство пищевых жидкостей, таких как пиво, квас и т.п. Принцип работы заключается в замыкании рабочей жидкостью (по достижении нужного уровня) чувствительного элемента (электрода) на корпус металлической емкости или на специальный дополнительный электрод. При этом возникает электрический ток, вызывающий срабатывание выходного реле и замыкание коммутируемой цепи.

Применимость кондуктометрических датчиков по условиям давления и температуры рабочего процесса в емкости находится в пределах 350°С и 6,3 МПа (как правило для стандартных исполнений 200 гр.С и 2,5 МПа) и определяется материалом изолятора электрода. Ограничения на применение данного типа датчиков могут накладывать такие свойства рабочей среды как сильное парение рабочей среды, сильное вспенивание, образование проводящих отложений на изоляторе или изолирующих отложений на чувствительном элементе.

Примерами кондуктометрических сигнализаторов являются: РОС-301, ЭРСУ, САУ-М6, СУ-300И.

Емкостные датчики широко распространены и используются для определения наличия рабочей среды: как жидкой, так и сыпучей (порошки, цемент, гранулированные продукты), как электропроводной, так и неэлектропроводной. (Массовым применением емкостных датчиков, также, является детектирование наличия объектов, например при счете единиц продукции). Принцип действия датчиков основывается на изменении электрической емкости чувствительного элемента (ЧЭ) при контакте с рабочей средой. Пока ЧЭ не контактирует с рабочей средой электрическая емкость конденсатора, образованного частями ЧЭ или ЧЭ и стенками резервуара определяется диэлектрической постоянной воздушной среды (DK=1). При контакте электрическая емкость увеличивается, что приводит к увеличению частоты электрических колебаний в цепи и формированию сигнала преобразуемого в дальнейшем в срабатывание выходного реле.

Емкостные датчики отличаются большим разнообразием конструктивных исполнений для конкретных применений, могут быть стержневого, трубчатого типов, гибкие, тросовые и т.п. При выборе типа датчика должны учитываться в первую очередь, как состав контролируемой среды, так и ее диэлектрические свойства. Для датчиков работающих в проводящей среде необходимо выбирать конструкцию с изолированным электродом.

Распространенными моделями емкостных датчиков являются РОС-101, РОС-102, ЕС (в составе прибора СУ200И), СУ500, СУ-100, ВБ1. Поплавковый датчик-реле уровня РОС-400-6

Функции датчика уровня может выполнять уровнемер типа РИС-101М1 стандартно обладающий возможностью задания до четырех уставок по диапазону измерения.

Поплавковые датчики уровня отличаются простотой и универсальностью. В простейшем варианте состоят из поплавка соединенного с механизмом переключения контактов с помощью механической или магнитной связи. Могут устанавливаться как в стенку емкости – горизонтально, так и вертикально – с помощью направляющих. В силу принципа действия и отсутствия электронной части эти датчики устойчивы к неблагоприятным внешним воздействиям (могут использоваться при температурах окружающей среды: -60 °С…+70 °С). Поплавковые датчики с успехом применяются в емкостях, где есть волнение жидкости, турбулентность, вибрации, вспенивание, для контроля уровня таких сред как вода пресная и морская, дизтопливо, керосин, масла, пищевые продукты с плотностью 0,75..1,2 г/см³ при температурах до 200 °С, давлении до 9 атм. Датчик-реле уровня буйковый ДУЖЭ-200М Нерегулируемый дифференциал срабатывания как правило: 10…25 мм, нестабильность срабатывания: ± 3…5 мм. Распространенные приборы этого типа: датчики серий РОС-400, РОС-401, реле уровня ДРУ-1ПМ, многоточечные датчики СУГ-М.

Буйковые сигнализаторы уровня, такие как ДУЖЭ-200М, ДУЖП-200М, состоят из буйка подвешенного на тросе соединенном с управляющим магнитом и контактным механизмом. Погружение буйка в жидкость приводит к появлению выталкивающей архимедовой силы, изменению усилия на тросе и замыканию или размыканию контактов.

Данный тип сигнализаторов уровня может использоваться при очень высоком давлении до 20 МПа. Плотность рабочей среды: 0,6..1,5 г/см³, температура рабочей среды: -55 °С…+200 °С. ДУЖЭ-200М имеют взрывозащиту «взрывонепроницаемая оболочка» и применяются, как правило, для контроля уровня агрессивных, взрывоопасных, легковоспламеняющихся жидкостей, а также сжиженных газов.

Датчики уровня по давлению (в качестве примера рассмотрим датчик-реле РО-1) устанавливаются на трубе опускаемой в жидкость и реагируют на изменение уровня через изменение давления запертого в трубе воздуха, являясь, по сути, реле давления. Когда труба погружается в рабочую среду на воздух, находящийся в ней, начинает действовать давление столба жидкости. При достижении заданного значения мембрана приводит в действие контактный механизм. Важным преимуществом такого датчика является отсутствие прямого контакта со средой и, следовательно, нечувствительность к таким свойствам жидкости как повышенная вязкость, неоднородность, химическая активность. Датчик настраивается на определенные точки срабатывания из стандартного ряда: 100, 180, 250, 340 мм. вод. ст. Точность срабатывания ±15 мм относительно заданного уровня.

Вибрационные сигнализаторы уровня широко распространены за рубежом и, в меньшей степени, в России и странах СНГ. Чувствительный элемент вибрационного сигнализатора, не будучи погружен в рабочую среду, совершает механические колебания на резонансной частоте возбуждаемые пьезоэлектрическим генератором. Погружение в рабочую среду – жидкость или сыпучий продукт приводит к изменению частоты колебаний, изменению электрических параметров цепи и преобразуется в дискретный выходной сигнал. Вибрационный сигнализатор FTL 330 (производства Endress+Hauser) Вибрационные сигнализаторы мало зависят от физических свойств среды, могут работать в негомогенных, пенящихся, парящих, загазованных средах. Диапазон применимости датчиков по температуре -50°С..+250°С, давлению – до 64 атм., плотность рабочей среды –в пределах 0,5-2,5 г/см³. Датчики обеспечивают точность срабатывания +/-1 мм. Помимо предельных выключателей уровня, характерно применение вибрационных сигнализаторов в качестве датчиков сухого хода в трубопроводах. Вибрационные сигнализаторы выпускаются в широком диапазоне исполнений, в том числе для пищевых производств, взрывоопасных условий, агрессивных сред.

Распространенными марками вибросигнализаторов являются серии OPTISWITCH фирмы Krohne , Liquiphant фирмы Endress+Hauser, Vibranivo фирмы UWT .

Ультразвуковые сигнализаторы реагируют на перекрытие продуктом линии распространения ультразвуковых колебаний. Чувствительный элемент представляет собой пару излучатель-приемник. Он может размещаться в емкости как горизонтально так вертикально. Электронный блок сигнализатора оценивает время распространения ультразвуковых волн и при нахождении отклонения замыкает или размыкает выходное реле. Погрешность срабатывания сигнализаторов типа УЗС составляет +/- 2 мм. (при вертикальной установке).

Ультразвуковые датчики отличаются надежностью и стабильностью рабочих характеристик. Могут использоваться при температурах до 250 °С, давлении до 16 бар. Ограничения на применение данного типа — те же, что и для всех контактных датчиков: налипание, образование отложений на ЧЭ, агрессивность рабочей среды по отношению к материалу ЧЭ (нержавеющая сталь) и т.п.

Популярные ультразвуковые сигнализаторы это – УЗС-10Х, УЗС-20Х, УЗС-3ХХ, УЗС-4ХХ, УЗР-1.

Роторные (флажковые) сигнализаторы применяются для контроля уровня сыпучих веществ, в первую очередь, в условиях высокой запыленности. Могут применяться в пищевых и взрывоопасных производствах для продуктов с плотностью не ниже 100 г/л, с размером гранул до 50 мм. Типичные применения: сигнализация уровня в емкостях с зерновыми, пищевыми порошкообразными продуктами, сахаром, цементом, комбикормами.

Флажковый сигнализатор уровня RN-3001 (пр-ва UWT) Чувствительный элемент (лопатка) роторного сигнализатора приводится во вращательное движение синхронным электродвигателем, который закреплен на шарнире внутри корпуса и подпружинен. Фиксация лопатки материалом рабочей среды приводит к появлению крутящего момента на корпусе синхронного двигателя, сжатию пружины и замыканию выходных контактов микропереключателя с одновременным размыканием цепи двигателя. При освобождении лопатки при падении уровня среды ниже контролируемого пружина возвращает контакты микропереключателя в разомкнутое положение и вновь замыкает цепь двигателя.

В качестве примеров подобного оборудования приведем Soliswitch FTE фирмы Endress+Hauser, Rotonivo фирмы UWT .

Широкое разнообразие типов сигнализаторов уровня позволяет выбирать оптимальные решения для конкретных задач автоматизации.

Датчики температуры

Контроль температуры составляет основу многих технологических процессов. Как известно, температура является важнейшим технологическим параметром в пищевой промышленности. От нее зависят основные потребительские параметры, такие как вкус, цвет, вид, а также и производственные параметры, такие как время изготовления, сохранность, а в итоге объемы готовой продукции.

В настоящее время в пищевой промышленности в основном используются обычные стационарные контактные датчики температуры: термопары или термосопротивления. Однако их использование приводит к ряду проблем:

- точное измерение температуры контактными датчиками возможно только при хорошем тепловом контакте с измеряемым объектом;

- существует ограниченный выбор зон контроля, не всегда лучший с точки зрения оптимального регулирования технологического процесса;

- должны соблюдаться жесткие гигиенические требования при эксплуатации датчиков;

- налипания на датчик измеряемого продукта в зоне измерения приводит к ошибкам в измерении, к снижению скорости управления технологическим процессом.

Оперативный контроль температуры в технологических процессах пищевого производства может быть обеспечен применением неконтактных инфракрасных датчиков. Инфракрасные датчики лишены всех проблем, присущих контактным датчикам температуры. Они практически безинерционны, работают в реальном масштабе времени, позволяют измерять температуры от –50 до + 3000°С. Обычный диапазон температур пищевого производства лежит в диапазоне от –30 до +400°С. Инфракрасные датчики температуры позволяют неконтактно измерять температуру продукта, сырья непосредственно в процессе производства.

Принцип действия инфракрасных датчиков температуры основан на измерении теплового электромагнитного излучения, которое образовано внутренней энергии предметов и тел. Интенсивность излучения напрямую связана с температурой нагретого объекта. В обычных условиях, при комнатной температуре, тепловое излучение тел происходит в инфракрасном диапазоне длин волн (1 мм-780 нм), недоступным зрительному восприятию глаза. С увеличением температуры светимость тел быстро возрастает, а длины волн смещаются в более коротковолновую область. Если температура достигает тысяч градусов, то тела начинают излучать в видимом диапазоне длин волн (780-380 нм).

К основным параметрам, которые необходимо учитывать при выборе модели инфракрасного датчика температуры относятся:

- спектральный диапазон и диапазон температур измеряемого объекта;

- показатель визирования;

- излучательная способность измеряемого объекта.

Для пищевой промышленности подходят инфракрасные датчики температуры со спектральным диапазоном 8-14 или 6-14 мкм, которые измеряют температуру объектов, не попадающих под определение "отражающие или металлические". К таковым относится текстиль, пищевые продукты, резина, толстый непрозрачный пластик, картон, дерево, краска, земля, камень и другие.

Современные инфракрасные датчики температуры имеют оптическое отношение (показатель визирования) достигающее 300:1. Точность измерения не зависит от расстояния до тех пор, пока размер объекта больше измеряемого диаметра. Определенная температура будет не верна, если размер объекта меньше диаметра пятна контроля. Так как объект, температура которого должна быть измерена, не заполняет весь диаметр пятна контроля, инфракрасный датчик температуры в данном случае будет принимать излучения от других объектов окружающей среды, которые оказывают влияние на точность измерения.

Излучательные свойства объекта определяются свойствами материала и чистотой обработки поверхности объекта, а не цветом его поверхности. У большинства органических материалов, таких как дерево, пластик, бумага, излучательная способность находится в диапазоне 0,8 – 0,95.

Для определения эффективности инфракрасных датчиков температуры по сравнению с другими видами датчиков температуры был поставлен эксперимент на малогабаритной сушильной установке. В эксперименте сравнивались показания температуры от инфракрасного датчика температуры «Кельнив ИКС» с показателем визирования 1:1, термопары J – типа, а также термометра ртутного стеклянного лабораторного.

В малогабаритной сушильной установке воздух, нагнетающийся двухсторонним центробежным вентилятором и нагревающийся в камере нагрева, поступает в сушильную камеру через патрубок подачи воздуха в установку. Измерения температуры проводились непосредственно в камере сушильной установки.

В качестве объекта исследования температуры был выбран деревянный брусок. Инфракрасный датчик температуры позиционировался над бруском таким образом, чтобы поверхность бруска полностью входила в диаметр контроля датчика.

По таблице излучательной способности объекта для деревянного бруска был выбран коэффициент излучательной способности 0,95, при эффективной длине волны 8-14 мкм, и занесен в инфракрасный датчик температуры «Кельнив ИКС» с помощью пульта Кельвин АРТО.

Термопара J – типа, а также термометр ртутный стеклянный лабораторный имели тесный тепловой контакт с деревянным бруском.

Начальные показания всех приборов были идентичными. Начальная температура составила 12 °C. Нагрев деревянного бруска планировалось проводить до температуры 55 °C во избежание повреждения инфракрасного датчика температуры, ввиду того, что максимальная рабочая температура составляет 85°C

Из эксперимента стало ясно,что показания всех приборов установились на отметке 55°С, однако, ввиду своей инерционности термопара J – типа, а также термометр ртутный стеклянный лабораторный заметно дольше отображали недостоверную температуру. Следует отметить, что идентичность начальных и конечных показаний приборов свидетельствует о правильном выборе коэффициента излучательной способности деревянного бруска.

Вместе с тем, эксперимент выявил недостатки ИК датчиков, в связи с чем, возникает ряд проблем при их использовании в пищевой промышленности:

1) Трудность позиционирования над продуктом (сырьем), требующим температурного контроля. Так в установках, представляющих из себя термокамеры, где температуры достигают 200-400 °С, позиционирование инфракрасных датчиков невозможно, ввиду их небольшого диапазона рабочих температур, в среднем 85°С. Инфракрасные датчики температуры попросту выйдут из строя.

2) Каждая конкретная модель инфракрасных датчиков температуры помимо диапазона измеряемых температур, обладает собственным показателем визирования, что затрудняет их унификацию. При значения показателя визирования 1:1 и при значительном удалении датчика от продукта (сырья), показания температуры будут не точными, ввиду попадания в область визирования датчика сторонних инфракрасных излучений. Инфракрасные датчики температуры с показателями визирования порядка 1:100 отличаются хорошей точностью, однако они в разы дороже вышеописанных датчиков, их использование в пищевой промышленности не целесообразно.

Решение данных недостатков видится в разработке и дальнейшем использовании устройства, позволяющего:

- зафиксировать инфракрасный датчик температуры за пределами термокамеры с целью снижения температурного воздействия на него;

- ограничить диаметра объекта контроля инфракрасного датчика температуры, с целью улучшения его показателя визирования.

На сегодняшний день инфракрасные датчики температуры являются эффективным средством измерения температуры в технологических процессах. Так как при отсутствии непосредственного контакта с объектом измерения обладают возможностью измерения температуры в труднодоступных и опасных для человека местах.

Правильно подобранные основные параметры инфракрасного датчика (спектральный диапазон, показатель визирования, значение излучательной способности измеряемого объекта) позволяют добиться высокой точности измерения, подкрепленной высоким быстродействием, а также широким диапазоном измеряемых температур, что дает возможность использовать их в системах автоматического управления технологическими процессами пищевых производств.

Датчики давления

Датчики давления можно разделить на следующие несколько групп по типу измеряемого давления.

1) Датчики абсолютного давления. Точкой отсчета для них служит нулевое давление, т.е. вакуум. Такие датчики применяются в основном на химических, пищевых производствах, в фармацевтике – там, где параметры технологического процесса зависят от абсолютного значения давления. Измеряемое абсолютное давление обычно не превышает значения 50 – 60 бар.

2) Датчики относительного давления. Показания этих датчиков отсчитываются от значения внешнего атмосферного давления. Это наиболее распространенный тип датчиков давления. Датчики относительного давления измеряют давление в системах водоснабжения, различных трубопроводах и емкостях.

3) Датчики дифференциального давления. Датчики имеют два входа, и результатом измерений является разница давлений между этими входами. Эта разница может быть как положительной, так и отрицательной, однако некоторые модели датчиков дифференциального давления измеряют только односторонние изменения дифференциального давления. Датчики дифференциального давления применяются для контроля загрязнения фильтров при фильтрации газов или жидкостей. Они используются как датчики уровня жидкости при измерении уровня гидростатическим методом. С помощью датчиков дифференциального давления измеряется расход жидкости.

Датчики давления разделяются по типу используемого чувствительного элемента. Это разделение предъявляет существенные требования к областям применения датчиков давления.

Одним из первых типов датчика давления был датчик с чувствительным элементом емкостного типа (имеются в виду устройства, имеющие электрический выходной сигнал). Такие датчики применяются, например, в приборах для измерения кровяного давления. Датчики давления с емкостным чувствительным элементом обладают высокой точностью измерений, большим диапазоном и долговременной стабильностью. Например, датчики давления серии 3015 производства компании Rosemount обладают точностью измерения 0,15%, долговременной стабильностью 0,125% в течение пяти лет эксплуатации и перестраиваемым диапазоном 100:1.

Другим типом датчиков является датчик давления с чувствительным элементом в виде мембраны с закрепленными на ней тензодатчиками. Как правило, мембрана изготавливается из нержавеющей стали или другого стойкого металла. Тензодатчики обычно делают металлическими – из манганина или константана – или кремниевыми.

Относительно недавно стали широко использоваться датчики давления с мембраной из керамики, с пьезорезистивными датчиками. Датчики с такой мембраной имеют большую долговременную стабильность показаний и высокую устойчивость к перегрузкам давления. Развитие электроники позволяет в большей мере применять микропроцессорные технологии в системах обработки сигналов о датчиков давления, реализуя цифровые интерфейсы вывода информации с датчиков или их перестройку по диапазону. Датчики давления PF2057 производства IFM Electronic имеют керамическую фронтальную мембрану, позволяющую использовать их для измерения давления вязких сред и суспензий, а также в пищевой промышленности. Кроме токового выхода 4 – 20 мА датчик имеет пороговый транзисторный выход, светодиодный дисплей и может перестраиваться по диапазону в 4 раза